DE102020204837A1 - Plate heat exchanger with locally varying thermal conductivity - Google Patents

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Abstract

Offenbart ist ein Wärmetauscher, insbesondere für den Einsatz in einer Destillationsanlage, aufweisend einen Einbaurahmen und eine als ein Stapel aus mehreren Platten ausgestaltete Basiseinheit, wobei die Platten der Basiseinheit zum Ausbilden von Fluidkanälen eine Prägung aufweisen, wobei mindestens ein Fluidkanal zum Führen eines Fluids zwischen mindestens zwei Platten ausgebildet ist, wobei die Platten aus einem wärmeleitfähigen Kunststoff bestehen, wobei mindestens eine Platte der Basiseinheit mindestens einen Bereich mit einer verringerten Wärmeleitfähigkeit und mindestens einen Bereich mit einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Des Weiteren ist eine Anlage zur thermischen Behandlung von mindestens einem Fluid offenbart.

Figure DE102020204837A1_0000
Disclosed is a heat exchanger, in particular for use in a distillation plant, having an installation frame and a base unit configured as a stack of several plates, the plates of the base unit having an embossing for forming fluid channels, with at least one fluid channel for guiding a fluid between at least two plates is formed, wherein the plates consist of a thermally conductive plastic, wherein at least one plate of the base unit has at least one area with a reduced thermal conductivity and at least one area with an increased thermal conductivity. Furthermore, a system for the thermal treatment of at least one fluid is disclosed.
Figure DE102020204837A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für den Einsatz in einer Destillationsanlage, aufweisend einen Einbaurahmen und eine als ein Stapel aus mehreren Platten ausgestaltete Basiseinheit, wobei die Platten der Basiseinheit zum Ausbilden von Fluidkanälen eine Prägung aufweisen, wobei mindestens ein Fluidkanal zum Führen eines Fluids zwischen mindestens zwei Platten ausgebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anlage mit mindestens einem derartigen Wärmetauscher.The invention relates to a heat exchanger, in particular for use in a distillation plant, having an installation frame and a base unit configured as a stack of several plates, the plates of the base unit having an embossing for forming fluid channels, with at least one fluid channel for guiding a fluid between at least two plates is formed. The invention also relates to a system with at least one such heat exchanger.

Stand der TechnikState of the art

Bei der Herstellung von Destillationsanlagen stellt der Wärmetauscher eine der teuersten Komponenten dar, da der Wärmetauscher präzise auf den Prozess der jeweiligen Destillationsanlage, wie beispielsweise der Frischwassergewinnung, abgestimmt wird. Der Wärmetauscher kann dabei als ein kombinierter Verdampfer und Kondensator ausgestaltet sein.In the manufacture of distillation systems, the heat exchanger is one of the most expensive components, as the heat exchanger is precisely tailored to the process of the respective distillation system, such as fresh water extraction. The heat exchanger can be designed as a combined evaporator and condenser.

Aus Metall hergestellte Wärmetauscher weisen eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, welche mit einer erhöhten Fouling-Gefahr verbunden ist. Des Weiteren sind Kunststoffwärmeübertrager bzw. aus thermisch leitfähigem Kunststoff hergestellte Wärmetauscher bekannt. Derartige, aus Kunststoff hergestellte, Wärmetauscher weisen zwar eine verringerte Fouling-Gefahr auf, sind jedoch hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit eingeschränkt.Heat exchangers made of metal have good thermal conductivity, which is associated with an increased risk of fouling. Plastic heat exchangers or heat exchangers made from thermally conductive plastic are also known. Such heat exchangers made of plastic have a reduced risk of fouling, but are limited in terms of thermal conductivity.

Bei der Verwendung von Wärmetauschern aus Metall, wie beispielsweise Titan oder Edelstahl, kann die Diebstahlgefahr steigen, da das Metall geschmolzen und beliebig weiterverwendet werden kann.When using heat exchangers made of metal, such as titanium or stainless steel, the risk of theft can increase because the metal can be melted and reused as required.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, einen Wärmetauscher vorzuschlagen, welcher die Vorteile eines aus einem Kunststoff hergestellten Wärmetauschers mit den Vorteilen eines aus einem Metall hergestellten Wärmetauschers kombiniert.The object on which the invention is based can be seen in proposing a heat exchanger which combines the advantages of a heat exchanger made from a plastic with the advantages of a heat exchanger made from a metal.

Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.This object is achieved by means of the respective subject matter of the independent claims. Advantageous refinements of the invention are the subject matter of the respective dependent subclaims.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Wärmetauscher, insbesondere für den Einsatz in einer Destillationsanlage, bereitgestellt. Der Wärmetauscher weist einen Einbaurahmen und eine als ein Stapel aus mehreren Platten ausgestaltete Basiseinheit auf, wobei die Platten der Basiseinheit zum Ausbilden von Fluidkanälen eine Prägung aufweisen. Mindestens ein Fluidkanal ist zum Führen eines Fluids zwischen mindestens zwei Platten ausgebildet. Bevorzugterweise bestehen die Platten aus einem wärmeleitfähigen Kunststoff, wobei mindestens eine Platte der Basiseinheit mindestens einen Bereich mit einer verringerten Wärmeleitfähigkeit und mindestens einen Bereich mit einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit aufweist.According to one aspect of the invention, a heat exchanger, in particular for use in a distillation plant, is provided. The heat exchanger has an installation frame and a base unit configured as a stack of several plates, the plates of the base unit having an embossing in order to form fluid channels. At least one fluid channel is designed for guiding a fluid between at least two plates. The plates preferably consist of a thermally conductive plastic, at least one plate of the base unit having at least one area with reduced thermal conductivity and at least one area with increased thermal conductivity.

Ein derartiger Wärmetauscher weist Platten auf, welche eine lokale Variation der Wärmeleitfähigkeit umfassen. Dabei kann die Wärmeleitfähigkeit lokal durch Einbringen von Füllstoffen und/oder Füllpartikeln gesteigert werden. Insbesondere können Bereiche mit einer thermischen Isolation und Bereiche mit einer thermischen Leitfähigkeit geschaffen werden, welche eine zusätzliche Isolierung durch Gummibeschichtungen oder Silikonbeschichtungen vermeiden.Such a heat exchanger has plates which include a local variation in the thermal conductivity. The thermal conductivity can be increased locally by introducing fillers and / or filler particles. In particular, areas with thermal insulation and areas with thermal conductivity can be created which avoid additional insulation by means of rubber coatings or silicone coatings.

Die jeweiligen Platten können zu einem Block bzw. zu einer Basiseinheit dauerhaft verbunden werden. Derartige Platten können Ausbeulungen bzw. Prägungen aufweisen, durch welche zwischen mehreren gestapelte Platten Fluidkanäle entstehen, um Fluide parallel zu und zwischen den Platten zu leiten. Die Platten können vorzugsweise im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Dabei wird der Kunststoff bzw. das Polymer zum Herstellen der Platten derart in eine entsprechende Spritzgussform eingebracht, dass die Füllpartikel in ihrer Ausrichtung eingestellt werden.The respective plates can be permanently connected to form a block or a base unit. Such plates can have bulges or embossments through which fluid channels are created between a plurality of stacked plates in order to conduct fluids parallel to and between the plates. The plates can preferably be produced by injection molding. The plastic or the polymer for producing the plates is introduced into a corresponding injection mold in such a way that the orientation of the filler particles is adjusted.

Bei der Herstellung der Platten kann die Wärmeleitfähigkeit im Spritzguss durch geeignetes Platzieren der Anspritzstellen gesteuert werden. Die Ausrichtung der Füllpartikeln, welche als Leitpartikel für den Wärmetransport dienen, und damit die thermische Leitfähigkeit lassen sich somit lokal steuern. Damit können Wärmetauscherplatten beispielsweise im Randbereich isolierend gebildet werden, im Bereich der Wärmetauscherfläche bleibt die Wärmeleitfähigkeit hoch. Eine thermische Isolation der Wärmeleitplatten, wie bei einer Metallausführung, kann somit entfallen.During the production of the plates, the thermal conductivity in injection molding can be controlled by suitable placement of the injection points. The alignment of the filler particles, which serve as conductive particles for the heat transport, and thus the thermal conductivity can thus be controlled locally. In this way, heat exchanger plates can be made insulating in the edge area, for example, while the thermal conductivity remains high in the area of the heat exchanger surface. Thermal insulation of the heat conducting plates, as is the case with a metal version, can therefore be omitted.

Durch die Verwendung von Platten aus einem Kunststoff können die Fouling-Gefahr reduziert und Wartungsintervalle verlängert werden. Des Weiteren kann der Wärmetauscher durch die Verwendung von Kunststoff-Platten technisch einfach und kosteneffizient hergestellt werden. Durch die lokale Steigerung der thermischen Leitfähigkeit kann die Dimension des Wärmetauschers gegenüber dem Einsatz eines üblichen thermisch leitfähigen Polymers verringert werden.By using plates made of a plastic, the risk of fouling can be reduced and maintenance intervals can be extended. Furthermore, the heat exchanger can be manufactured in a technically simple and cost-effective manner by using plastic plates. Due to the local increase in thermal conductivity, the dimensions of the heat exchanger can be reduced compared to the use of a conventional thermally conductive polymer.

Der Wärmetauscher kann als eine kombinierte Verdampfer/Kondensator Einheit, als ein Plattenwärmeübertrager, ein Fallfilmverdampfer und dergleichen ausgestaltet sein. Des Weiteren kann der Wärmetauscher bei Vakuumprozessen oder bei der Brüdenkompression eingesetzt werden.The heat exchanger can be used as a combined evaporator / condenser unit, as a Plate heat exchangers, a falling film evaporator and the like can be configured. The heat exchanger can also be used in vacuum processes or in vapor compression.

Bei einer Ausführungsform sind die Platten der Basiseinheit zumindest umfangsseitig fluiddicht miteinander verbunden, wobei jede Platte mindestens eine Öffnung zum Leiten eines Fluids durch den Fluidkanal aufweist. Die mindestens eine Öffnung ist mit einem Fluideinlass und/oder einem Fluidauslass der Basiseinheit verbunden.In one embodiment, the plates of the base unit are connected to one another in a fluid-tight manner at least on the circumferential side, each plate having at least one opening for guiding a fluid through the fluid channel. The at least one opening is connected to a fluid inlet and / or a fluid outlet of the base unit.

Vorzugsweise ist ein umfangsseitiger Rand der Platten als ein Randbereich mit verringerter Wärmeleitfähigkeit ausgestaltet. Durch diese Maßnahme kann das Einbringen einer zusätzlichen thermischen Isolierung am Rand der Platten entfallen. Ein derartiger Wärmetauscher kann somit schneller und kosteneffizienter hergestellt werden.A peripheral edge of the plates is preferably designed as an edge region with reduced thermal conductivity. This measure eliminates the need to introduce additional thermal insulation at the edge of the panels. Such a heat exchanger can thus be produced more quickly and more cost-effectively.

Nach einer weiteren Ausführungsform umgibt der Randbereich der Platten umfangsseitig mindestens einen Zentralbereich der Platte, wobei der Zentralbereich eine gegenüber dem Randbereich erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweist. Hierdurch kann der Zentralbereich als ein thermisch aktiver Bereich mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sein. Dies kann beispielsweise alleine durch die Art, wie der Kunststoff in die Spritzgussform geführt wird umgesetzt werden.According to a further embodiment, the edge region of the plates surrounds at least one central region of the plate on the circumferential side, the central region having a higher thermal conductivity than the edge region. As a result, the central area can be designed as a thermally active area with a high thermal conductivity. This can be implemented, for example, solely by the way in which the plastic is fed into the injection mold.

Der Randbereich bleibt vorzugsweise thermisch weniger leitfähig. Alternativ oder zusätzlich kann der Randbereich ohne Füllpartikel ausgeführt sein, so dass der Randbereich thermisch isolierend bleibt. Hierdurch kann ein schnelles Start-Stopp Verhalten bei dezentralem Einsatz zur Trinkwasserherstellung realisiert werden.The edge area preferably remains less thermally conductive. Alternatively or additionally, the edge area can be designed without filler particles, so that the edge area remains thermally insulating. This enables quick start-stop behavior for decentralized use for drinking water production.

Die Platten sind vorzugsweise als dünne, konturierte Elemente ausgeführt. Die Konturen bilden Prägungen und somit die Querschnittsformen für den mindestens einen Fluidkanal aus. In die Platten sind Öffnungen eingebracht, welche als Zuführungen von mindestens einem Fluid in den mindestens einen Fluidkanal dienen.The plates are preferably designed as thin, contoured elements. The contours form embossments and thus the cross-sectional shapes for the at least one fluid channel. Openings are made in the plates, which serve as feeds of at least one fluid into the at least one fluid channel.

Die Füllpartikel können beispielsweise aus einem Metall oder aus Kohlestoff bestehen. Insbesondere kann die thermische Leitfähigkeit durch die Ausrichtung der Füllpartikel beim Formen, Spritzgießen oder Tiefziehen oder während der Aushärtung des Kunststoffs in einer Spritzgussform eingestellt werden. Durch die erhöhte thermische Leitfähigkeit der Füllpartikel gegenüber dem Polymer stellt sich bei Verwendung von Füllpartikeln, die eine längere und mindestens eine kürzere Länge in der Projektion aufweisen, eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit der Platten bzw. des ausgehärteten Materials ein. Ein Wärmetransport durch oder entlang der Platte folgt dabei im Wesentlichen der Ausrichtung der Füllpartikel. Beispielsweise kann die thermische Leitfähigkeit maximiert werden, wenn die Füllpartikel Kontaktbrücken zwischen beiden Seiten der Platte ausbilden.The filler particles can for example consist of a metal or of carbon. In particular, the thermal conductivity can be set by aligning the filler particles during molding, injection molding or deep drawing or during the curing of the plastic in an injection mold. Due to the increased thermal conductivity of the filler particles compared to the polymer, when filler particles are used which have a longer and at least one shorter length in the projection, an anisotropic thermal conductivity of the plates or of the cured material is established. A heat transport through or along the plate essentially follows the alignment of the filler particles. For example, the thermal conductivity can be maximized if the filler particles form contact bridges between both sides of the plate.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Platten der Basiseinheit eine gleiche Anordnung oder eine voneinander abweichende Anordnung der Bereiche mit verringerter Wärmeleitfähigkeit und der Bereiche mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit auf. Durch diese Maßnahme können die Platten der Basiseinheit gleich oder ungleich ausgestaltet sein. Es ist somit eine gezielte Steuerung der Wärmeleitfähigkeit und der Leistungsfähigkeit der Basiseinheit möglich. Insbesondere können einzelne Platten der Basiseinheit eine variierende und einzelne Platten eine konstante Wärmeleitfähigkeitsverteilung aufweisen. Bei einer weiteren Ausgestaltung können alle Platten eine variierende Wärmeleitfähigkeitsverteilung aufweisen.According to one embodiment, the plates of the base unit have the same arrangement or a different arrangement of the areas with reduced thermal conductivity and the areas with increased thermal conductivity. As a result of this measure, the plates of the base unit can be designed to be the same or different. Targeted control of the thermal conductivity and the performance of the base unit is thus possible. In particular, individual plates of the base unit can have a varying thermal conductivity distribution and individual plates can have a constant thermal conductivity distribution. In a further embodiment, all plates can have a varying thermal conductivity distribution.

Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Platten der Basiseinheit umfangsseitig miteinander verklebt oder verschweißt. Hierdurch ist die Basiseinheit des Wärmetauschers als ein integraler Block ausgeführt.According to a further embodiment, the plates of the base unit are glued or welded to one another on the circumferential side. As a result, the base unit of the heat exchanger is designed as an integral block.

Durch die optimierte Wärmeleitfähigkeitsverteilung der Platten der Basiseinheit können systemimmanent die Leistungsfähigkeit und die Baugröße gegenüber einem metallischen Wärmeübertrager vergleichbar ausgestaltet sein. Gleichzeitig kann die Neigung zu Fouling und das Gewicht des Wärmetauschers auf bis zu einem Drittel verringert werden. Damit kann der Wärmeübertragung, insbesondere bei Ausführung als Wechselteil mit universellen Anschlüssen technisch einfach ausgebaut und extern gereinigt werden.Due to the optimized thermal conductivity distribution of the plates of the base unit, the performance and the size of the system can be designed to be comparable to that of a metallic heat exchanger. At the same time, the tendency to fouling and the weight of the heat exchanger can be reduced by up to a third. In this way, the heat transfer, especially when designed as an interchangeable part with universal connections, can be easily expanded and cleaned externally.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Platten der Basiseinheit aus einem thermisch leitfähigen Polymer, wie beispielsweise PVDF, PE, PVC, PVCC, PP oder PFA, mit mindestens einem Füllstoff in Form von Füllpartikeln hergestellt. Hierdurch können die Platten als ein Spritzgussteil hergestellt werden. Dabei ist eine gezielte Steuerung der Füllpartikeldichte und der Ausrichtung der Füllpartikel möglich, welche eine Steuerung der lokalen Wärmeleitfähigkeit entlang einer flächigen Ausdehnung der Platten ermöglichen.According to one embodiment, the plates of the base unit are made from a thermally conductive polymer, such as PVDF, PE, PVC, PVCC, PP or PFA, with at least one filler in the form of filler particles. This allows the plates to be manufactured as an injection-molded part. A targeted control of the filler particle density and the alignment of the filler particles is possible, which enables a control of the local thermal conductivity along a flat extension of the plates.

Des Weiteren sind Basiseinheiten aus einem thermisch leitfähigen Polymer nicht attraktiv für Diebe und ermöglichen somit einen besonders sicheren Betrieb.Furthermore, base units made of a thermally conductive polymer are not attractive to thieves and thus enable particularly safe operation.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Wärmeleitfähigkeit der Bereiche der Platten der Basiseinheit durch eine Ausrichtung von Füllpartikeln und/oder eine Füllpartikeldichte einstellbar. Insbesondere können die Füllpartikel zum Ausbilden von Kontaktbrücken zwischen eingesetzt werden, um eine hohe thermische Leitfähigkeit zu erzielen. Die Abwesenheit von Füllpartikeln kann zum Ausbilden von thermisch isolierenden Bereichen eingesetzt werden. Die Füllpartikeldichte kann somit auch 0 sein, um eine hohe thermische Isolierung zu erzielen.According to a further embodiment, the thermal conductivity of the areas of the plates of the base unit can be adjusted by aligning filler particles and / or a filler particle density. In particular, the filler particles can be used to form contact bridges between them in order to achieve high thermal conductivity. The absence of filler particles can be used to form thermally insulating areas. The fill particle density can therefore also be 0 in order to achieve a high level of thermal insulation.

Alternativ oder zusätzlich können Füllpartikel zum Erhöhen der Wärmeleitfähigkeit und/oder Füllpartikel zum Verringern der Wärmeleitfähigkeit während des Spritzgussverfahrens lokal in die Spritzgussform eingebracht werden, um eine variierende Wärmeleitfähigkeitsverteilung entlang der Platten auszubilden.Alternatively or additionally, filler particles to increase the thermal conductivity and / or filler particles to reduce the thermal conductivity can be introduced locally into the injection mold during the injection molding process in order to form a varying distribution of thermal conductivity along the plates.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind zwischen den Platten der Basiseinheit Fluidkanäle zum Führen eines Heizfluids, Fluidkanäle zum Führen eines zu kondensierenden Fluids und Fluidkanäle zum Führen eines Kühlfluids ausgebildet, wobei die Fluidkanäle zum Führen des Heizfluids und die Fluidkanäle zum Führen des Kühlfluids durch mindestens einen Bereich mit geringer Wärmeleitfähigkeit voneinander beabstandet sind. Dies kann beispielsweise bei einem Wärmetauscher vorteilhaft sein, bei welchem in einem Abschnitt ein Trinkwasserdampf kondensiert wird, in einem Zwischenabschnitt Tropfenabscheidung stattfinden soll und in einem Abschnitt eine Erwärmung zum Bilden des Trinkwasserdampfs durchgeführt wird. Der Zwischenabschnitt kann somit eine reduzierte Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um die Effizienz des Wärmetauschers zu erhöhen und eine optimale Trennung der Prozesse zu erzielen.According to one embodiment, fluid channels for guiding a heating fluid, fluid channels for guiding a fluid to be condensed and fluid channels for guiding a cooling fluid are formed between the plates of the base unit, the fluid channels for guiding the heating fluid and the fluid channels for guiding the cooling fluid through at least one area with less Thermal conductivity are spaced from each other. This can be advantageous, for example, in a heat exchanger in which a drinking water vapor is condensed in one section, droplet separation is to take place in an intermediate section and heating to form the drinking water vapor is carried out in one section. The intermediate section can thus have a reduced thermal conductivity in order to increase the efficiency of the heat exchanger and to achieve an optimal separation of the processes.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Basiseinheit und/oder die Platten der Basiseinheit durch Schraubverbindungen oder durch Schnellspannverbindungen in dem Einbaurahmen angeordnet. Werden die Platten als Block bzw. als Basiseinheit in sich gedichtet, dann kann der Block an den Ein- und Austrittsstellen für die Fluide technisch einfach mittels umfangsseitiger Dichtungen an eine Destillationsanlage angeschlossen werden. Es werden hierdurch keine hohen Vorspannkräfte und keine schweren Platten des Einbaurahmens benötigt.In a further embodiment, the base unit and / or the plates of the base unit are arranged in the installation frame by screw connections or by quick-release connections. If the plates are sealed as a block or as a base unit, the block can be connected to a distillation plant at the entry and exit points for the fluids in a technically simple manner by means of circumferential seals. As a result, no high pretensioning forces and no heavy plates of the installation frame are required.

Durch das geringe Gewicht des Wärmetauschers kann die Demontage einfacher und schneller durchgeführt werden. Hierdurch wird auch eine externe Reinigung des Wärmetauschers vereinfacht.Due to the low weight of the heat exchanger, dismantling can be carried out more easily and quickly. This also simplifies external cleaning of the heat exchanger.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Anlage zur thermischen Behandlung von mindestens einem Fluid bereitgestellt. Die Anlage kann beispielsweise als eine Trinkwasserdestillationsanlage ausgestaltet sein und weist mindestens einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher auf. Der Wärmetauscher weist vorzugsweise eine aus mindestens einem bereichsweise thermisch leitfähigen Polymer hergestellte Basiseinheit auf, welche auf die Temperaturen des mindestens einen Fluids der Anlage ausgelegt ist.According to a further aspect of the invention, a system for the thermal treatment of at least one fluid is provided. The system can be designed, for example, as a drinking water distillation system and has at least one heat exchanger according to the invention. The heat exchanger preferably has a base unit made from at least one thermally conductive polymer in some areas, which is designed for the temperatures of the at least one fluid of the system.

Die Anlage kann beispielsweise zur Wasseraufbereitung zur lokalen Trinkwasserherstellung mit einem Franchise-Konzept geeignet sein. Des Weiteren kann die Betriebszeit der Anlage maximiert werden, da der eingebaute Wärmetauscher bei Bedarf durch einen Ersatz-Wärmetauscher austauschbar ist. Der Stillstand der Anlage beschränkt sich lediglich auf den Wärmetauscher-Austausch. Des Weiteren kann der Ausbau und Einbau des Wärmetauschers aufgrund des geringeren Gewichts des Wärmetauschers vereinfacht und beschleunigt werden. Durch die präzise Abstimmung des Wärmetauschers auf die Anlage hinsichtlich der eingesetzten Temperaturen kann ein Manipulationsschutz realisiert werden.The system can, for example, be suitable for water treatment for local drinking water production with a franchise concept. Furthermore, the operating time of the system can be maximized, since the built-in heat exchanger can be exchanged for a replacement heat exchanger if necessary. The system downtime is limited to exchanging the heat exchanger. Furthermore, the removal and installation of the heat exchanger can be simplified and accelerated due to the lower weight of the heat exchanger. Tamper protection can be implemented by precisely coordinating the heat exchanger with the system with regard to the temperatures used.

Soll die Ausbringung der Anlage vergrößert werden, beispielsweise bei einer steigenden Kundenzahl und daraus resultierendem Wasserbedarf, kann ein Anlagenbetreiber die Anlage durch den Einbau einer thermisch optimierten Basiseinheit und/oder Wärmetauschers aufrüsten. Ein thermisch optimierter Wärmetauscher weist Platten auf, welche eine Wärmeleitfähigkeitsverteilung mit Bereichen geringer Wärmeleitfähigkeit und mit Bereichen höherer Wärmeleitfähigkeit umfassen. Hierdurch kann die Effizienz des Wärmetauschers verbessert und der resultierende Trinkwasserumsatz gesteigert werden.If the output of the system is to be increased, for example with an increasing number of customers and the resulting water requirement, a system operator can upgrade the system by installing a thermally optimized base unit and / or heat exchanger. A thermally optimized heat exchanger has plates which comprise a thermal conductivity distribution with areas of low thermal conductivity and with areas of higher thermal conductivity. This can improve the efficiency of the heat exchanger and increase the resulting drinking water turnover.

Wird das System bzw. die Anlage bei Nennleistung auf die thermischen Eigenschaften des gefüllten Polymers der Platten ausgelegt, funktioniert die Anlage nur mit diesem Block bzw. dieser Basiseinheit des Wärmetauschers. Nachbauten bzw. Plagiate können somit die Frischwasserproduktionsrate nicht erreichen, wenn sie aus einem alternativen Polymer gebaut sind.If the system or the plant is designed for the thermal properties of the filled polymer of the plates at nominal output, the plant only works with this block or this basic unit of the heat exchanger. Replicas or plagiarisms cannot reach the fresh water production rate if they are made from an alternative polymer.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher als ein Plattenwärmeübertrager oder als ein Fallstromverdampfer in Plattenbauweise ausgestaltet. Hierdurch kann der Wärmetauscher flexibel in unterschiedlich ausgestalteten Anlagen eingesetzt werden. Durch die Herstellung der Platten des Wärmetauschers im Spritzgussverfahren und einem anschließenden Verbindungsschritt der Platten können beliebige Formen und Fluidkanal-Anordnungen für unterschiedliche Anwendungen realisiert werden.According to one embodiment, the heat exchanger is designed as a plate heat exchanger or as a falling film evaporator in plate construction. As a result, the heat exchanger can be used flexibly in differently designed systems. By producing the plates of the heat exchanger in an injection molding process and a subsequent connecting step of the plates, any desired shapes and fluid channel arrangements can be realized for different applications.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Anlage mit mindestens einem ersten Wärmetauscher aus einem Kunststoff betreibbar, wobei der erste Wärmetauscher durch einen als Austauschteil ausgestalteten erfindungsgemäßen Wärmetauscher austauschbar ist. Hierdurch kann der Wärmetauscher als ein Wechselteil zur Leistungssteigerung ausgeführt sein. Die Anlage kann vom Grundkonzept her für einen Polymerwärmeübertrager ausgelegt sein, welcher thermisch nicht optimiert ist und somit eine konstante Wärmeleitfähigkeitsverteilung aufweist. Dieser erste Wärmetauscher kann zur Leistungssteigerung durch einen thermisch optimierten Wärmetauscher zur Leistungssteigerung ersetzt werden.According to a further embodiment, the system can be operated with at least one first heat exchanger made of a plastic, the first heat exchanger being exchangeable by a heat exchanger according to the invention designed as an exchangeable part. As a result, the heat exchanger can be designed as an interchangeable part to increase performance. The system can be from The basic concept should be designed for a polymer heat exchanger which is not thermally optimized and thus has a constant thermal conductivity distribution. This first heat exchanger can be replaced by a thermally optimized heat exchanger to increase performance in order to increase performance.

Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen

  • 1 eine schematische Darstellung einer Anlage gemäß einer Ausführungsform,
  • 2,3 schematische Querschnitte eines Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform,
  • 4 eine Explosionsdarstellung eines Wärmetauschers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und
  • 5 schematische Detailansichten eines Bereichs mit einer verringerten Wärmeleitfähigkeit und eines Bereichs mit einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit.
In the following, preferred exemplary embodiments of the invention are explained in more detail on the basis of greatly simplified schematic representations. Show here
  • 1 a schematic representation of a system according to an embodiment,
  • 2 , 3 schematic cross-sections of a heat exchanger according to an embodiment,
  • 4th an exploded view of a heat exchanger according to a further embodiment and
  • 5 schematic detailed views of an area with a reduced thermal conductivity and an area with an increased thermal conductivity.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anlage 1 gemäß einer Ausführungsform. Die Anlage 1 ist beispielhaft als eine Trinkwasseraufbereitungsanlage bzw. Destillationsanlage ausgestaltet, welche Trinkwasser aus Salzwasser durch Destillieren gewinnt. Die Anlage 1 weist einen Wärmetauscher 2 auf.the 1 shows a schematic representation of a plant 1 according to one embodiment. The attachment 1 is designed, for example, as a drinking water treatment plant or distillation plant, which extracts drinking water from salt water by distillation. The attachment 1 has a heat exchanger 2 on.

Der Wärmetauscher 2 weist eine Basiseinheit 4 auf. Die Basiseinheit 4 ist in einem Einbaurahmen 6, 8 eingesetzt und besteht aus einer Vielzahl von Platten 5. Durch die Platten 5 werden Fluidkanäle 7 ausgebildet, welche parallel zu einer flächigen Ausdehnung der Platten 5 verlaufen. Insbesondere können zwischen jeweils zwei Platten 5 ein oder mehrere Fluidkanäle 7 vorgesehen sein. Die Fluidkanäle 7 dienen zum Führen von Fluiden, wie beispielsweise Dampf oder Wasser.The heat exchanger 2 has a base unit 4th on. The base unit 4th is in a mounting frame 6th , 8th used and consists of a large number of plates 5 . Through the plates 5 become fluid channels 7th formed, which parallel to a flat extension of the plates 5 get lost. In particular, between two plates 5 one or more fluid channels 7th be provided. The fluid channels 7th are used to guide fluids such as steam or water.

Die Platten 5 sind aus mindestens einem Polymer hergestellt. Das Polymer der Platten 5 kann zumindest bereichsweise mit Füllpartikeln versehen sein, um eine gezielte lokale Variation der Wärmeleitfähigkeit zu erzielen.The plates 5 are made from at least one polymer. The polymer of the plates 5 can be provided with filler particles at least in some areas in order to achieve a targeted local variation of the thermal conductivity.

Die Basiseinheit 4 ist austauschbar in dem Einbaurahmen 6, 8 angeordnet. Beispielsweise kann die Basiseinheit 4 in dem Einbaurahmen 6, 8 verschraubt oder durch Spannhaken eingespannt sein.The base unit 4th is exchangeable in the installation frame 6th , 8th arranged. For example, the base unit 4th in the mounting frame 6th , 8th be screwed or clamped by tension hooks.

Der Einbaurahmen 6, 8 weist einen Anschlussabschnitt 6 und einen Konterabschnitt 8 auf, zwischen welchen die Basiseinheit 4 angeordnet ist. Die Fluidkanäle 7 der Basiseinheit 4 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel fluidführend mit Anschlüssen 10, 11, 12, 13, 14, 15 des Anschlussabschnitts 6 verbunden.The installation frame 6th , 8th has a connection section 6th and a counter section 8th on, between which the base unit 4th is arranged. The fluid channels 7th the base unit 4th are in the illustrated embodiment fluid-carrying with connections 10 , 11 , 12th , 13th , 14th , 15th of the connection section 6th tied together.

Die Anschlüsse 10, 11, 12, 13, 14, 15 des Anschlussabschnitts 6 sind beispielsweise als ein Anschluss 10 für Salzwasserzufuhr, ein Anschluss 11 für den Abfluss der Salzlake, ein Anschluss 12 zum Abführen des Trinkwasserdampfs, ein Anschluss 13 zur Heizdampfzufuhr, ein Anschluss 14 für einen Heizdampfrücklauf und ein Anschluss 15 für einen Kondensatrücklauf des Heizdampfs ausgestaltet.The connections 10 , 11 , 12th , 13th , 14th , 15th of the connection section 6th are for example as a connector 10 for salt water supply, one connection 11 for the drainage of the brine, a connection 12th for discharging the drinking water vapor, one connection 13th for heating steam supply, one connection 14th for a heating steam return and a connection 15th designed for a condensate return of the heating steam.

Es kann beispielsweise ein Fluidkanal 7 zum Führen von Heizdampf verwendet werden. Ein benachbarter Fluidkanal 7 kann Salzwasser aus der Salzwasserzufuhr 10 führen und somit auf Siedetemperatur erhitzen. Der resultierende Trinkwasserdampf kann durch den Anschluss 12 für den Trinkwasserdampf entweichen und in einem Kondensator 16 verflüssigt werden. Das verflüssigte Trinkwasser kann anschließend in einem Sammelbehälter 18 aufgefangen werden.For example, it can be a fluid channel 7th can be used to conduct heating steam. An adjacent fluid channel 7th can get salt water from the salt water supply 10 lead and thus heat to boiling temperature. The resulting drinking water vapor can pass through the connection 12th for the drinking water vapor to escape and in a condenser 16 be liquefied. The liquefied drinking water can then be stored in a collecting tank 18th be caught.

Der Heizdampf kann mit Hilfe eines Dampfgenerators 19 erzeugt und über den Anschluss 13 für Heizdampf in den Wärmetauscher 2 gelangen. Der aus dem Wärmetauscher 2 ausgetretene Heizdampf und das Kondensat des Heizdampfs können über die entsprechenden Anschlüsse 14, 15 erneut dem Dampfgenerator 19 zugeführt werden.The heating steam can with the help of a steam generator 19th generated and via the connector 13th for heating steam in the heat exchanger 2 reach. The one from the heat exchanger 2 Leaking heating steam and the condensate of the heating steam can be connected via the corresponding connections 14th , 15th the steam generator again 19th are fed.

In der 2 und der 3 sind schematische Querschnitte des Wärmetauschers 2 gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Der Wärmetauscher 2 weist eine Basiseinheit 4 auf, welche aus mehreren Platten 5 hergestellt ist. Die Platten 5 sind umfangsseitig miteinander verschweißt sodass die Basiseinheit 4 als ein integral zusammenhängender Block geformt ist. Der Block bzw. die Basiseinheit 4 ist zwischen dem Anschlussabschnitt 6 und dem Konterabschnitt 8 des Einbaurahmens eingespannt.In the 2 and the 3 are schematic cross-sections of the heat exchanger 2 shown according to one embodiment. The heat exchanger 2 has a base unit 4th on which of several panels 5 is made. The plates 5 are welded together on the circumference so that the base unit 4th is formed as an integrally continuous block. The block or the base unit 4th is between the connection section 6th and the counter section 8th clamped in the mounting frame.

In der 4 ist eine Explosionsdarstellung des Wärmetauschers 2 zum Veranschaulichen des Aufbaus des Wärmetauschers 2 und der Anordnung der Basiseinheit 4 gezeigt.In the 4th is an exploded view of the heat exchanger 2 to illustrate the structure of the heat exchanger 2 and the arrangement of the base unit 4th shown.

Die Platten 5 der Basiseinheit 4 sind zumindest umfangsseitig fluiddicht miteinander verbunden. Jede Platte 5 weist Öffnungen 20, 22, 23, 25 zum Leiten von Fluiden durch den mindestens einen Fluidkanal 7 auf. Die Öffnungen 20, 22, 23, 25 sind mit entsprechenden Fluideinlässen 10, 13 und Fluidauslässen 12, 15 fluidleitend verbunden.The plates 5 the base unit 4th are connected to one another in a fluid-tight manner, at least on the circumferential side. Any plate 5 has openings 20th , 22nd , 23 , 25th for guiding fluids through the at least one fluid channel 7th on. The openings 20th , 22nd , 23 , 25th are with corresponding fluid inlets 10 , 13th and fluid outlets 12th , 15th fluidly connected.

Ein umfangsseitiger Rand 30 der Platten 5 ist als ein Randbereich bzw. Bereich 30 mit verringerter Wärmeleitfähigkeit ausgestaltet. Der Randbereich 30 ist beispielsweise aus einem Polymer ohne Zugabe von Füllpartikeln hergestellt und wirkt vorzugsweise thermisch isolierend.A peripheral edge 30th of the plates 5 is as an edge area 30th designed with reduced thermal conductivity. The edge area 30th is made, for example, from a polymer without the addition of filler particles and preferably has a thermally insulating effect.

Der Randbereich 30 der Platten 5 umgibt gemäß dem Ausführungsbeispiel umfangsseitig einen Zentralbereich 32. Der Zentralbereich 32 entspricht einem Bereich 32 mit einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit und weist eine gegenüber dem Randbereich 30 erhöhte Wärmeleitfähigkeit auf. Der Zentralbereich 32 kann vorzugsweise Füllpartikel aufweisen, welche während eines Spritzgussverfahrens zusätzlich lokal in das Polymer injiziert wurden, um einen verbesserten Wärmetransport zu ermöglichen.The edge area 30th of the plates 5 according to the exemplary embodiment, surrounds a central area on the circumferential side 32 . The central area 32 corresponds to an area 32 with an increased thermal conductivity and has a opposite to the edge area 30th increased thermal conductivity. The central area 32 can preferably have filler particles which were additionally injected locally into the polymer during an injection molding process in order to enable improved heat transport.

Das Polymer der Platten 5 kann beispielsweise PVDF, PE, PVC, PVCC, PP oder PFA sein.The polymer of the plates 5 can for example be PVDF, PE, PVC, PVCC, PP or PFA.

In der 4 ist der Zentralbereich 32 durch einen zusätzlichen Bereich 30 mit verringerter Wärmeleitfähigkeit unterteilt, um beispielsweise die Heizdampfzufuhr 13 von anderen Anschlüssen 10, 12, 15 thermisch zu trennen.In the 4th is the central area 32 through an additional area 30th subdivided with reduced thermal conductivity, for example around the heating steam supply 13th from other connections 10 , 12th , 15th to be thermally separated.

Die 5 zeigt schematische Detailansichten eines Bereichs 30 mit einer verringerten Wärmeleitfähigkeit und eines Bereichs 32 mit einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit. Dabei wird Veranschaulicht, dass Füllpartikel 34 zum Ausbilden von Kontaktbrücken 36 eingesetzt werden, um eine hohe thermische Leitfähigkeit zu erzielen. Die Abwesenheit von Füllpartikeln 34 kann zum Ausbilden von thermisch isolierenden Bereichen 30 eingesetzt werden. Die Füllpartikeldichte kann somit auch 0 sein, um eine hohe thermische Isolierung zu erzielen.the 5 shows schematic detailed views of an area 30th with a reduced thermal conductivity and area 32 with an increased thermal conductivity. It is illustrated that filler particles 34 for forming contact bridges 36 can be used to achieve high thermal conductivity. The absence of filler particles 34 can be used to form thermally insulating areas 30th can be used. The fill particle density can therefore also be 0 in order to achieve a high level of thermal insulation.

Durch ein Einbringen von Füllpartikeln 34 und ein Ausrichten der Füllpartikel 34 können Kontaktbrücken 36 hergestellt werden, welche die Wärmeleitfähigkeit steigern bzw. maximieren können.By introducing filler particles 34 and aligning the filler particles 34 can contact bridges 36 which can increase or maximize the thermal conductivity.

Claims (12)

Wärmetauscher (2), insbesondere für den Einsatz in einer Destillationsanlage, aufweisend einen Einbaurahmen (6, 8) und eine als ein Stapel aus mehreren Platten (5) ausgestaltete Basiseinheit (4), wobei die Platten (5) der Basiseinheit (4) zum Ausbilden von Fluidkanälen (7) eine Prägung aufweisen, wobei mindestens ein Fluidkanal (7) zum Führen eines Fluids zwischen mindestens zwei Platten (5) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (5) aus einem wärmeleitfähigen Kunststoff bestehen, wobei mindestens eine Platte (5) der Basiseinheit (4) mindestens einen Bereich (30) mit einer verringerten Wärmeleitfähigkeit und mindestens einen Bereich (32) mit einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit aufweist.Heat exchanger (2), in particular for use in a distillation plant, having an installation frame (6, 8) and a base unit (4) configured as a stack of several plates (5), the plates (5) of the base unit (4) for Forming fluid channels (7) have an embossing, wherein at least one fluid channel (7) is designed for guiding a fluid between at least two plates (5), characterized in that the plates (5) consist of a thermally conductive plastic, with at least one plate (5) the base unit (4) has at least one area (30) with a reduced thermal conductivity and at least one area (32) with an increased thermal conductivity. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Platten (5) der Basiseinheit (4) zumindest umfangsseitig fluiddicht miteinander verbunden sind, wobei jede Platte (5) mindestens eine Öffnung (20, 22, 23, 25) zum Leiten eines Fluids durch den Fluidkanal (7) aufweist, wobei die mindestens eine Öffnung (20, 22, 23, 25) mit einem Fluideinlass (10, 13) und/oder einem Fluidauslass (12, 15) des Einbaurahmens (6, 8) verbunden ist, wobei ein umfangsseitiger Rand der Platten (5) als ein Randbereich (30) mit verringerter Wärmeleitfähigkeit ausgestaltet ist.Heat exchanger after Claim 1 , wherein the plates (5) of the base unit (4) are connected to one another in a fluid-tight manner at least on the circumferential side, each plate (5) having at least one opening (20, 22, 23, 25) for guiding a fluid through the fluid channel (7), wherein the at least one opening (20, 22, 23, 25) is connected to a fluid inlet (10, 13) and / or a fluid outlet (12, 15) of the mounting frame (6, 8), a peripheral edge of the plates (5) is designed as an edge region (30) with reduced thermal conductivity. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Randbereich (30) der Platten (5) mindestens einen Zentralbereich (32) umfangsseitig umgibt, wobei der Zentralbereich (32) eine gegenüber dem Randbereich (30) erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweist.Heat exchanger after Claim 1 or 2 wherein the edge region (30) of the plates (5) surrounds at least one central region (32) on the circumferential side, the central region (32) having a higher thermal conductivity than the edge region (30). Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Platten (5) der Basiseinheit (4) eine gleiche Anordnung oder eine voneinander abweichende Anordnung der Bereiche (30) mit verringerter Wärmeleitfähigkeit und der Bereiche (32) mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit aufweisen.Heat exchanger after one of the Claims 1 until 3 wherein the plates (5) of the base unit (4) have the same arrangement or a different arrangement of the areas (30) with reduced thermal conductivity and the areas (32) with increased thermal conductivity. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Platten (5) der Basiseinheit (4) umfangsseitig miteinander verklebt oder verschweißt sind.Heat exchanger after one of the Claims 1 until 4th , the plates (5) of the base unit (4) being glued or welded to one another on the circumferential side. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Platten (5) der Basiseinheit (4) aus einem thermisch leitfähigen Polymer, wie beispielsweise PVDF, PE, PVC, PVCC, PP oder PFA, mit mindestens einem Füllstoff in Form von Füllpartikeln (34) hergestellt sind.Heat exchanger after one of the Claims 1 until 5 wherein the plates (5) of the base unit (4) are made from a thermally conductive polymer, such as PVDF, PE, PVC, PVCC, PP or PFA, with at least one filler in the form of filler particles (34). Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Bereiche (30, 32) der Platten (5) der Basiseinheit (4) durch eine Ausrichtung von Füllpartikeln (34) und/oder eine Füllpartikeldichte einstellbar ist.Heat exchanger after one of the Claims 1 until 6th wherein the thermal conductivity of the areas (30, 32) of the plates (5) of the base unit (4) can be adjusted by an alignment of filler particles (34) and / or a filler particle density. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zwischen den Platten (5) der Basiseinheit (4) Fluidkanäle (7) zum Führen eines Heizfluids, Fluidkanäle (7) zum Führen eines zu kondensierenden Fluids und Fluidkanäle (7) zum Führen eines Kühlfluids ausgebildet sind, wobei die Fluidkanäle (7) zum Führen des Heizfluids und die Fluidkanäle (7) zum Führen des Kühlfluids durch mindestens einen Bereich (30) mit geringer Wärmeleitfähigkeit voneinander beabstandet sind.Heat exchanger after one of the Claims 1 until 7th , wherein fluid channels (7) for guiding a heating fluid, fluid channels (7) for guiding a fluid to be condensed and fluid channels (7) for guiding a cooling fluid are formed between the plates (5) of the base unit (4), the fluid channels (7) for guiding the heating fluid and the fluid channels (7) for guiding the cooling fluid through at least one region (30) with low thermal conductivity are spaced apart from one another. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Basiseinheit (4) und/oder die Platten (5) der Basiseinheit (4) durch Schraubverbindungen oder durch Schnellspannverbindungen in dem Einbaurahmen (6, 8) angeordnet sind.Heat exchanger after one of the Claims 1 until 8th , wherein the base unit (4) and / or the plates (5) of the base unit (4) are arranged in the mounting frame (6, 8) by screw connections or by quick-release connections. Anlage (1) zur thermischen Behandlung von mindestens einem Fluid, wobei die Anlage (1) mindestens einen Wärmetauscher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei der Wärmetauscher (2) eine aus mindestens einem bereichsweise thermisch leitfähigen Polymer hergestellte Basiseinheit (4) aufweist, welche auf die Temperaturen des Fluids der Anlage (1) ausgelegt ist.Plant (1) for the thermal treatment of at least one fluid, the plant (1) having at least one heat exchanger (2) according to one of the has preceding claims, wherein the heat exchanger (2) has a base unit (4) made of at least one thermally conductive polymer in some areas, which is designed for the temperatures of the fluid of the system (1). Anlage nach Anspruch 10, wobei der Wärmetauscher (2) als ein Plattenwärmeübertrager oder als ein Fallstromverdampfer in Plattenbauweise ausgestaltet ist.Plant after Claim 10 , wherein the heat exchanger (2) is designed as a plate heat exchanger or as a falling film evaporator in plate construction. Anlage nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Anlage (1) mit mindestens einem ersten Wärmetauscher aus einem Kunststoff betreibbar ist, wobei der erste Wärmetauscher durch einen als Austauschteil ausgestalteten Wärmetauscher (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 austauschbar ist.Plant after Claim 10 or 11 , wherein the system (1) can be operated with at least one first heat exchanger made of a plastic, wherein the first heat exchanger by a heat exchanger (2) designed as a replacement part according to one of the Claims 1 until 9 is interchangeable.
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